DE2705487C2 - X-ray image intensifier tube - Google Patents

Description

el) eine Siliciumscheibe, die im wesentlichen aus einem N-leitenden Kollektorgebiet (11) besteht und die auf der der Photokathode (4) abgewandten Seite eine Matrix von P-leitenden Inseln (15) zur Speicherung von Ladungsbildern enthält die im Kollektorgebiet (11) von den von der Photokathode (4) emittierten Elektronenstrahlen (14) erzeugt werden,el) a silicon wafer, which is essentially consists of an N-conductive collector region (11) and that of the photocathode (4) facing away from a matrix of P-conductive islands (15) for storage of charge images contains the one in the collector region (11) of the one from the photocathode (4) emitted electron beams (14) are generated,

c2) eine auf der der Photokathode (4) zugewandten Seite angeordnete für Elektronen durchlässige Pufferschicht (13), die eine erste, äußere Metallschicht {Ϊ3Α) sowie eine zweite, innere Metallschicht (UB) autweist, deren Dichte höher ist als die Dichte der ersten, äußeren Metallschicht (13/4/c2) an electron-permeable buffer layer (13) arranged on the side facing the photocathode (4), which has a first, outer metal layer {Ϊ3Α) and a second, inner metal layer (UB) , the density of which is higher than the density of the first , outer metal layer (13/4 /

d) Mitteln zum Abtasten des auf der Photokathode (4) abgewandten Seite der Halbleiterauftreffplatte (6) erzeugten Ladungsbildes, um das Ladungsbild in elektrische Signale umzuwandeln, d) means for scanning the side of the semiconductor target facing away from the photocathode (4) (6) generated charge image to convert the charge image into electrical signals,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:characterized by the following features:

e) die Siliciumscheibe weist auf der der Photokathode (4) zugewandten Seite eine hochdotierte N+-leitende Oberflächenschicht (12) mit einer höheren Dotierung als das angrenzende Kollektorgebiet (11) auf,e) the silicon wafer has a highly doped one on the side facing the photocathode (4) N + -conducting surface layer (12) with a higher doping than the adjacent collector area (11) on,

f) die erste, äußere Metallschicht (i3A) besteht aus Beryllium,f) the first, outer metal layer (i3A) consists of beryllium,

g) die zweite, innere Metallschicht [13B) besteht aus Niob.g) the second, inner metal layer [13B) consists of niobium.

2. Röntgenbildverstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte Oberflächenschicht (12) eine mit Phosphor diffundierte Schicht ist, deren Dotierungsprofil derart gewählt ist, daß in der Tiefe, in der die Kollektorwirkung 5% beträgt, die Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe weniger als 50% pro 0,1 μίτι beträgt.2. X-ray image intensifier tube according to claim 1, characterized in that the highly doped surface layer (12) is a layer diffused with phosphorus, the doping profile of which is selected in this way is that at the depth at which the collector effect is 5%, the increase in the collector effect with the Depth is less than 50% per 0.1 μίτι.

3. Röntgenbildverstärkerröhre nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der äußeren, ersten Metallschicht (13A^ so gewählt ist, daß darin etwa die Hälfte der einfallenden Elektronenenergie absorbiert wird.3. X-ray image intensifier tube according to one of the preceding claims, characterized in that that the thickness of the outer, first metal layer (13A ^ is chosen so that about half of the incident electron energy is absorbed.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenbildverstärkerröhre entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an X-ray image intensifier tube according to the preamble of the patent claim 1.

Eine Röntgenbildverstärkerröhre dieser Art ist aus der US-PS 37 61 762 bekannt.An X-ray image intensifier tube of this type is known from US Pat. No. 3,761,762.

Eine Halbleiterauftreffplatte für eine Röntgenbildyerstärkerröhre ist auch in dem Aufsatz »Silicon Electron Multiplication Camera Tube« in »LEE E. Transactions on Electron Devices«, Band ED 18. Nr. 11, November 1971, S. 1023—1028 beschrieben.A semiconductor target for an X-ray intensifier tube is also in the article "Silicon Electron Multiplication Camera Tube" in "LEE E. Transactions on Electron Devices, "Volume ED 18. No. 11, November 1971, pp. 1023-1028.

Eine übliche Auftreffplatte für Bildverstärkerröhren, die meistens aus Silicium besteht arbeitet mit einfallenden Elektronen, die auf Energien von 2,5 bir lOkeV beschleunigt werden, die AuftreffplattcnverstärkungenA common target for image intensifier tubes, which is mostly made of silicon, works with incident tubes Electrons, which are at energies of 2.5 bir lOkeV are accelerated, the impact plate reinforcements

ίο von etwa 1 bis 2000 entsprechen, in der Praxis wird die Photokathode der Röntgenbildverstärkerröhre auf einem negativen Potential gehalten, während die Photoelektronen auf die Auftreffplatte auftreffen, die praktisch an Erdpotential liegt Der Nachteil der Standardauftreffplatte besteht darin, daß in dem Bereich, der für eine Röntgenbildverstärkerröhre mit Photokathodenspannungen von —19 kV bis —25 kV erforderlich ist, die Auftreffplattenverstärkung zu hoch ist. Daher muß der Röntgenstrom in dem Bildverstärker niedrig gehalten werden, dam<t Sättigung des Ausgangssignals der Auftreffplatte vermieden wird.ίο correspond from about 1 to 2000, in practice the The photocathode of the X-ray image intensifier tube is held at a negative potential while the photoelectrons hit the target, which is practically at ground potential. The disadvantage of the standard target is that in the area suitable for an X-ray image intensifier tube with photocathode voltages -19 kV to -25 kV is required, the target gain is too high. Therefore must the x-ray current in the image intensifier is kept low so that saturation of the output signal of the target is avoided.

Eine Röntgenbildverstärkerröhre, die auf diese Weise betrieben wird, weist ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis a>.'f.An X-ray image intensifier tube operated in this manner has a low signal-to-noise ratio a>. 'f.

Es wurde versucht, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß eine metallene Pufferschicht auf der genannten ersten Seite der Auftreffplatte erzeugt wird (US-PS 37 61 762). Eine derartige Pufferschicht führt jedoch normalerweise zu örtlichen Ungleichmäßigkeiten, die ein fleckiges Bild zur Folge haben, so daß die Wahl des Materials für die Pufferschicht auf sehr besondere Metalle und Dicken beschränkt ist, um die genannte Flekkenbildung zu vermeiden. Außerdem weist diese Lösung den großen Nachteil auf. daß durch die Abbremsung der auffallenden Elektronen mit hoher Energie in der Metallschicht Röntgenstrahlung erzeugt wird, die in der Halbleiterscheibe ebenfalls Ladungsträger erzeugt, die zu einer Erhöhung des Rauschens beitragen.Attempts have been made to eliminate this disadvantage by placing a metal buffer layer on said first side of the target is generated (US-PS 37 61 762). However, such a buffer layer leads usually to local irregularities that result in a blotchy image, so that the choice of Material for the buffer layer is limited to very special metals and thicknesses in order to prevent the formation of spots to avoid. In addition, this solution has the major disadvantage. that by braking of the incident electrons with high energy in the metal layer X-rays are generated, which in the semiconductor wafer also generates charge carriers, which contribute to an increase in the noise.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es bereits aus der US-PS 37 61 762 bekannt, die Pufferschicht in eine errte, äußere Metallschicht mit niedriger Dichte (beispielsweise Aluminium) und eins zweite, innere Metallschicht mit höherer Dichte (beispielsweise Chrom) aufzuteilen.To avoid these difficulties, it is already known from US-PS 37 61 762, the buffer layer in a ground, outer, low-density metal layer (e.g. aluminum) and a second, inner, metal layer with a higher density (e.g. chromium) to be divided.

Schließlich wurde in der älteren Patentanmeldung P 26 05 965.4-33 eine Röntgenbildverstärkerröhre nach dem Obefbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die auch noch das Merkmal e) des Anspruchs 1 aufweist.Finally, in the earlier patent application P 26 05 965.4-33, an X-ray image intensifier tube was developed proposed to the preamble of claim 1, which also has feature e) of claim 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Röntgenbildverstärkerröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß die Auftreffplatte einen einstellbaren Verstärkungsfaktor, beispielsweise im Bereich zwischen 3 und 300, aufweist, wenn die Photokathodenspannung zwischen —19 kV und —25 kV variiert, wobei das durch die in der Pufferschicht erzeugte Röntgenstrahlung verursachte Rauschen weiter verringert ist.The invention is based on the object of the X-ray image intensifier tube to develop according to the preamble of claim 1 so that the impact plate a adjustable gain factor, for example in the range between 3 and 300, if the photocathode voltage varies between -19 kV and -25 kV, with that generated in the buffer layer Noise caused by X-rays is further reduced.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. This problem is solved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Unteransprüche 2 und 3. Dabei ist es aus der eingangs genannten Literaturstelle »IEEE Transactions on Electron Devices« bereits bekannt, die hochdotierte N+-leitende Oberflächenschicht durch Phosphordiffusion zu erzeugen.Advantageous further developments of the invention contain the dependent claims 2 and 3. It is from the "IEEE Transactions on Electron Devices" mentioned at the beginning is already known, the highly endowed N + -conducting surface layer to be generated by phosphorus diffusion.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below, for example with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 schematisch eine Röntgenbildverstärkerröhre,F i g. 1 schematically an X-ray image intensifier tube,

Fig.2 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch einen Teil der Auftreffplatte mit Siliziumdiodenreihe einer Röntgenbildverstärkerröhre nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und2 shows a cross-section on an enlarged scale through part of the target with silicon diode row of an X-ray image intensifier tube according to a Embodiment of the invention, and

Fig.3 die Kurve, in der die Verstärkung über der Photokathodenspannung einer bekannten Auftreffplatte aufgetragen ist, und vergleichsweise eine derartige Kurve für eine Auftreffplatte in einer Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung.3 shows the curve in which the gain over the Photocathode voltage of a known target is plotted, and comparatively such Curve for a target in an X-ray image intensifier tube according to the invention.

In F i g. 1 geht die Röntgenstrahlung durch das Fenster 2 einer Röntgenbildverstärkerröhre 1 und trifft auf einen Szintillationsschirm 3 auf, der seinerseits eine Photokathode 4 beleuchtet, die sich in unmittelbarer Nähe des Szintillationsschirmes befindet. Von der Photokathode emittierte Elektronen werden von einem Fokussierkonus 5 fokussiert und auf eine Seite einer Auftreffplatte 6, die eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Dioden 15 enthält, projiziert, wie nachstehend an Hand der F i g. 2 beschrieben werden wird. Zwisch; η den Dioden 15 befinden sich jeweils isolierende Bereiche 19. : Die gegenüberliegende Seite der Auftreffplatte 6 wird von einem Elektronenstrahl abgetastet, der von einem Elektronenstrahlerzeugungssystem 7 stammt, das auch eine Kathode und eine Gitterelektrode 9 enthält. Der emittierte abtastende Elektronenstrahl wird auf übliche Weise von Ablenkspulen 8 abgelenkt.In Fig. 1 the X-ray radiation passes through the window 2 of an X-ray image intensifier tube 1 and is incident a scintillation screen 3, which in turn illuminates a photocathode 4, which is in the immediate Near the scintillation screen. Electrons emitted from the photocathode are captured by a focusing cone 5 focused and on one side of a target 6, which is a plurality of regularly arranged Contains diodes 15, projected as follows with reference to FIG. 2 will be described. Between; η the diodes 15 are each isolating areas 19.: The opposite side of the target 6 is scanned by an electron beam originating from an electron gun 7, that too a cathode and a grid electrode 9 contains. The emitted scanning electron beam is on usual Way deflected by deflection coils 8.

In der Röntgenbildverstärkerröhre dieses Typs muß im Vergleich zu einer üblichen Röhre eine erhöhte negative Spannung an die Photokathode angelegt werden, um ein gutes Auflösungsvermögen der Elektronenoptik der Verstärkerröhre zu erhalten. Um die Auftreffplatte 6 an die der Röntgenbildverstärkerröhre gestellten Anforderungen anzupassen, ist es notwendig, daß die Verstärkung der Auftreffplatte 6 zwischen etwa 3 und 300 einstellbar ist, wenn die Photokathodenspannung zwischen etwa —19 kV und —25 kV geändert wird, je nach dem besonderen Entwurf des Verstärkerabschnittes. Wie in F i g. 2 dargestellt ist, erzeugen diese Elektronen 14 mit hoher Energie, die auf das N-leitende Siliziumkollektorgebiet 11 einfallen, eine Vielzahl von Loch-Elektron-Paaren in dem Gebiet 11. Die Löcher diffundieren und entladen in der Sperrichtung vorgespannte pn-Dioden 15 (Verarmungszone 17) auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Auftreffplatte. Die so erhaltene auf den Dioden gespeicherte Ladung ergibt ein Ladungsbild, das dem einfallenden Elektronenbild entspricht Das Ladungsbild wird von dem vom Elektronenstrahlerzeugungssystem 7 erzeugten abtastenden Strahl 18 abgetastet und ausgelesen. Auf den Dioden 15 und den isolierenden Bereichen 19 befindet sich eine Widerstandsschicht (»resistive sea«) 16.In the X-ray image intensifier tube of this type, an increased negative must be increased as compared with a conventional tube Voltage must be applied to the photocathode in order to have a good resolving power of the electron optics the amplifier tube. In order to meet the requirements placed on the X-ray image intensifier tube by the target plate 6 adapt, it is necessary that the reinforcement of the target plate 6 between about 3 and 300 is adjustable if the photocathode voltage is changed between about -19 kV and -25 kV, depending on the special design of the amplifier section. As in Fig. 2, these generate electrons 14 with high energy applied to the N-type silicon collector area 11 occur a variety of hole-electron pairs in area 11. The holes diffuse and discharge reverse biased pn diodes 15 (depletion zone 17) on the opposite one Surface of the target. The thus obtained charge stored on the diodes gives a charge image, which corresponds to the incident electron image. The charge image is different from that of the electron gun 7 generated scanning beam 18 is scanned and read out. On the diodes 15 and the A resistance layer (“resistive sea”) 16 is located in the insulating areas 19.

Um die Auftreffplatte an die obengenannte der Röntgenbildverstärkerröhre gestellten Anforderungen anzupassen, wo die Photokathodenspannung zwischen etwa — 19 kV und -25 kV geändert wird und die Auftreffplattenverstärkung zwischen etwa 3 und 300 einstellbar sein muß, wird das N-leitende Kollektorgebiet 11 in bekannter Weise auf der den einfallenden Elektronen 14 zugekehrten Seite durch eine schwere Phosphordiffusion geändert, um eine tiefe N+ -leitende Oberflächenschicht 12 zu erhalten, wobei die Oberfläche derselben mit einer metallenen Pufferschicht 13 überzogen wird. Die Dicke der Oberflächenschicht 12 ist etwa 0,5 μίτι und die der Pufferschicht 13 etwa 1 μπι. Die Tiefe der der Rekombination dienenden Oberflächenschicht 12 kann derart eingestellt werden, daß Fehler und Ungleichmäßigkeiten der Auftreffplattenempfindlichkeit infolge von Fehlern in der metallenen Pufferschicht 13 auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.To the target to the aforementioned of the X-ray image intensifier tube set requirements, where the photocathode voltage between about - 19 kV and -25 kV is changed and the target reinforcement must be adjustable between about 3 and 300, the N-conductive collector region 11 in as is known, on the side facing the incident electrons 14 due to heavy phosphorus diffusion changed to a deep N + -conductive surface layer 12, the surface of which is coated with a metal buffer layer 13. The thickness of the surface layer 12 is approximately 0.5 μm and that of the buffer layer 13 about 1 μm. The depth of the the surface layer 12 serving for recombination can be adjusted in such a way that defects and irregularities the target sensitivity due to defects in the metal buffer layer 13 be reduced to a minimum.

Die Pufferschicht 13 besteht aus zwei aufeinanderliegenden Metallschichten, und zwar einer ersten, äußeren Metallschicht 13Λ und einer zweiten, inneren Metallschicht 135, wobei die Dichte der zweiten, inneren Metallschicht 135 in bekannter Weise größer ist als die Dichte der ersten, äußeren Metallschicht 13Λ (US-PS 37 61 762). Im Gegensatz zu der aus dieser US-PS 37 61 762 bekannten Röntgenbildverstärkerröhre besitzt die erfindungsgemäße Rohre eine erste, äußere Metallschicht aus Beryllium und eine zweite, innere Metallschicht aus Niob, die auf der der Photokathode 4 zugewandten Seite der hochdotierten N+-leitenden Oberflächenschicht 12 angeordnet sind.The buffer layer 13 consists of two superposed metal layers, namely a first, outer one Metal layer 13Λ and a second, inner metal layer 135, the density of the second, inner metal layer 135 is greater than the density of the first, outer metal layer 13Λ (US-PS 37 61 762). In contrast to the X-ray image intensifier tube known from this US Pat. No. 3,761,762 the tubes according to the invention have a first, outer metal layer made of beryllium and a second, inner metal layer made of niobium, the side facing the photocathode 4 of the highly doped N + -conducting Surface layer 12 are arranged.

Fig.3 zeigt charakteristische Verstärkungskurven für eine Standardauftreffplatte und eine Auftreffplatte nach der Erfindung, wobei als Ordinate der Verstärkungsfaktor und als Abszisse die Photokathodenspannung (in kV) aufgetragen ist Die Kurve A bezieht sich auf eine Standardauftreffplatte und die Kurve B bezieht sich auf eine Auftreffplatte in einer Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung. Die dargestellten Kurven zeigen, daß das Einbauen der Auftreffplatte 6 in eine Röntgenbildverstärkerröhre der bedienenden Person die Möglichkeit bietet, die Verstärkung der Röhre auf einfache Weise zwischen 3 und 300 einzustellen, damit ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis für besondere Diagnosesituationen erhalten wird.3 shows characteristic amplification curves for a standard target and a target according to the invention, the ordinate being the gain factor and the abscissa being the photocathode voltage (in kV). Curve A relates to a standard target and curve B relates to a target in an X-ray image intensifier tube according to the invention. The curves shown show that the installation of the target 6 in an X-ray image intensifier tube enables the operator to easily adjust the amplification of the tube between 3 and 300 so that an optimal signal-to-noise ratio is obtained for special diagnostic situations.

In Fig.2 besteht das Kollektorgebiet 11 aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat Die Phosphordiffusion, die die N+ -leitende Oberflächenschicht 12 erzeugt, ist derart eingestellt, daß eine sehr langsame Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe in der Auftreffplatte erhalten wird. An dem 5°/o-Kollektorwirkungspunkt soll die Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe in der Auftreffplatte geringer als etwa 50% pro 0,1 μίτι mit entsprechend niedrigen Zunahmeverhältnissen an anderen Punkten auf der Kollektorwirkungskurve sein.In Figure 2, the collector region 11 consists of a single-crystal silicon substrate. The phosphorus diffusion, which generates the N + -conductive surface layer 12 is set in such a way that a very slow increase in the Collector effect is obtained with the depth in the target. At the 5% collector action point should the increase in the collector effect with the depth in the target is less than about 50% per 0.1 μίτι with corresponding to low increase ratios at other points on the collector action curve.

Die sehr langsame Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe in der Auftreffplatte ergibt zwei günstige Effekte:The very slow increase in the collector effect with the depth in the target results in two favorable ones Effects:

Ungleichmäßigkeiten in der Auftreffplattenempfindlichkeit, die durch Ungleichmäßigkeiten in der metallenen Pufferschicht herbeigeführt werden, werden herabgesetzt;Non-uniformities in target sensitivity caused by non-uniformities in the metal buffer layer are brought about are reduced;

2. übermäßiges Auftreffplattenrauschen, das durch die Absorption in dem Kollektorgebiet von energiereichen Röntgenstrahlenquanten herbeigeführt wird, die von auf die metallene Pufferschicht einfallenden Photoelektronen erzeugt werden, wird erheblich herabgesetzt.2. Excessive target noise caused by absorption in the collector area of high-energy X-ray quanta is brought about by the incident on the metal buffer layer Photoelectrons are generated is significantly reduced.

Wie oben beschrieben wurde, wird es durch passende Wahl der kombinierten Dicke der Oberflächenschicht 12 und der metallenen Pufferschicht 13 möglich, die Auftreffplattenverstärkung für einen bestimmten Photokathodenspannungsbereich so zu ändern, daß dieser innerhalb des für Röntgenbildverstärkrröhren erforderlichen Bereiches fällt. Die kombinierte Dicke wird z. B. derart gewählt, daß eine Auftreffplattenv erstärkung erhalten wird, die von 3 bis etwa 300 variiert, wenn die Photokathodenspannung von etwa —19 kV bis —25 kV variiert (F ig. 3).As described above, it is made by appropriately choosing the combined thickness of the surface layer 12 and the metal buffer layer 13 possible, the target reinforcement for a certain photocathode voltage range to be changed so that this is within what is required for X-ray image intensifier tubes Area falls. The combined thickness is e.g. B. chosen so that a Auftreffplattenv receive reinforcement which varies from 3 to about 300 as the photocathode voltage varies from about -19 kV to -25 kV (Fig. 3).

Die Dicke der ersten äußeren Metallschicht 13Λ wird derart gewählt, daß etwa die Hälfte der einfallenden Elektronenenergie absorbiert wird, wobei die Dichte der zweiten inneren Metallschicht 135 genügend hochThe thickness of the first outer metal layer 13Λ becomes chosen so that about half of the incident electron energy is absorbed, the density of the second inner metal layer 135 is sufficiently high

ist, um die laterale Diffusion der Elektronen mit hoher
Energie, die durch die erste äußere Metallschicht 13/4
hindurchdringen, auf weniger als 1 μπι zu beschränken,
damit eine Verschlechterung des Auflösungsvermögens
der Auftreffplatte vermieden wird.is to the lateral diffusion of electrons with high
Energy through the first outer metal layer 13/4
penetrate through, to be limited to less than 1 μπι,
thus a deterioration in the resolving power
the target is avoided.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

m 65 m 65

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Röntgenbildverstäkerröhre mit:Patent claims:
1. X-ray image intensifier tube with: a) einem Szintillator (3) zum Umwandeln eines Röntgenbildes in ein optisches Strahlungsbild,a) a scintillator (3) for converting an X-ray image into an optical radiation image, b) einer Photokathode (4) zum Umwandeln des optischen Strahlungsbildes in Elektronenstrahlen (14),b) a photocathode (4) for converting the optical radiation image into electron beams (14), c) einer Halbleiterauftreffplatte (6), die enthält:c) a semiconductor target (6) containing: